《Environmental Technology & Innovation》：Sustainable processing of wastewater-associated
Chlorella vulgaris: hot-air drying optimization and downstream cost screening for future aquafeed evaluation
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为解决虾类养殖废水污染及资源化回收难题，研究人员系统研究了利用ATS-MHRAP系统处理废水并回收Chlorella vulgaris生物质的完整路径。他们优化了热风干燥条件，在60°C、10小时下获得了蛋白质(29.53%)、碳水化合物(40.24%)、脂质(18.54%)保留较优的藻粉，并初步估算其下游加工成本为0.01–0.02 USD g?1，为实现水产养殖系统的循环生物经济提供了一条可行路径。
虾类养殖在全球，尤其是越南等国家，是重要的经济产业，但同时也产生了大量富含氮、磷等营养物质的废水。这些废水如果不加处理直接排放，会对水体环境造成严重污染，引发富营养化等问题。然而，这种挑战也蕴藏着机遇——废水中丰富的养分正是微藻生长的“美食”。因此，将处理废水与培养有价值的微藻生物质相结合，既净化了环境，又实现了资源回收，是通向循环生物经济的理想途径。在这一领域，Chlorella vulgaris（小球藻）因其生长快速、营养丰富（蛋白质含量高达43-58%）而被视为明星物种。
但要真正将废水中的微藻变废为宝，转化为稳定、营养且经济的饲料添加剂或其它生物产品，还需要跨越几道难关。首先，如何高效地从废水中收获微藻？传统方法如絮凝、离心能耗高或需添加化学药剂，可能影响后续产品的安全性。其次，收获后的湿藻浆含水量极高（通常在90%以上），必须通过干燥才能长期保存和运输。然而，干燥过程是一把双刃剑：温度和时间控制不当，会导致藻细胞中宝贵的蛋白质变性、脂质氧化、碳水化合物焦糖化，营养价值大打折扣。如何找到既能有效脱水又能最大限度保留营养成分的“甜蜜点”？此外，从实验室优化到实际应用，成本始终是关键考量。整个从废水到产品的链条是否具备经济可行性？这些都是摆在研究者面前的现实问题。
为了回答这些问题，越南胡志明市阮必成大学跨学科科学研究所的Thanh Tran、Do Vinh Duong和Xuan-Thanh Bui团队开展了一项系统性研究，旨在开发并评估一套从虾类养殖废水到微藻产品的完整工艺流程。研究成果发表在《Environmental Technology》期刊上。这项研究不仅优化了关键的后处理步骤，还将废水处理、生物质回收、干燥优化和初步成本评估整合到一个连贯的框架中，为可持续水产养殖提供了新思路。
为了开展这项研究，作者主要运用了以下几个关键技术方法：
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集成式废水处理与生物质培养系统：研究使用了一种结合藻类草坪洗涤器(Algal Turf Scrubber, ATS)与膜耦合高率藻塘(Membrane-integrated High Rate Algal Pond, MHRAP)的系统（简称ATS-MHRAP）来处理虾类养殖废水。该系统利用生物膜形式培养和富集Chlorella vulgaris，实现了高效营养盐去除和基于生物膜的被动式收获，减少了化学絮凝剂的使用和预脱水能耗。
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响应面优化实验设计：为了系统优化热风干燥过程，研究采用了响应面方法(Response Surface Methodology, RSM)中的中心复合设计(Central Composite Design, CCD)。研究者选取了两个关键自变量：干燥温度（40°C 至 100°C）和干燥时间（10 至 24 小时），以藻粉的脂质、蛋白质、碳水化合物和灰分含量作为响应值，建立了数学模型，以寻找最佳的工艺条件组合。
- 3.
标准化营养组分分析方法：对干燥后的微藻生物质进行了全面的营养成分分析。具体包括：采用凯氏定氮法(AOAC 984.13)测定粗蛋白含量（以总氮×6.25计算）；采用索氏提取法(ISO 11085:2015)测定脂质含量；采用灼烧法(ASTM E1755)测定灰分含量；水分含量根据AOAC 986.25测定；碳水化合物含量则通过差减法（100%减去水分、蛋白质、脂质和灰分的总和）计算。所有分析均基于干重进行。
- 4.
初步成本估算方法：研究进行了一项初步的下游加工成本筛选，边界限定于干燥和研磨两个步骤。成本计算考虑了特定设备的电能消耗（基于额定功率和运行时间）、人工成本以及简化的设备折旧。成本按不同生产规模（从1克到100千克干重）进行估算，并换算成每克产品的加工成本（美元），以评估规模效应。
研究结果：
3.1.1. 干燥参数对营养成分的影响
研究人员系统分析了不同干燥温度和时间对微藻生物质四大营养成分（脂质、蛋白质、灰分、碳水化合物）保留率的影响。
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脂质含量：在研究的参数空间内，脂质含量在13.22%到19.78%之间变化。最高的脂质含量（19.78%）出现在70°C干燥10小时的条件下。总体上，温度超过70°C或时间延长会导致脂质含量下降，这主要归因于多不饱和脂肪酸的热氧化降解。
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蛋白质含量：蛋白质含量范围为24.84%至31.02%。在较低温度（40°C）和较长时间（24小时）下观察到最高蛋白质含量（31.02%）。随着温度升高，蛋白质含量呈现下降趋势，在100°C干燥24小时后降至24.84%。这种下降是由于热变性和美拉德反应导致的蛋白质损失。
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灰分含量：灰分含量从4.29%（40°C, 10小时）到13.50%（100°C, 24小时）不等，并随温度和时间的增加而显著上升。这主要是由于有机物质热分解后，无机矿物质相对比例增加所致。
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碳水化合物含量：这是对干燥条件最敏感的成分，变化范围极大（8.99%至62.55%）。最高值出现在40°C干燥10小时（62.55%），而在高温长时间条件下（100°C, 24小时）急剧下降至8.99%。这种损失源于碳水化合物在高温下的焦糖化和美拉德反应。
3.1.2. 关键营养成分的干燥条件优化
基于响应面分析，研究确定了一个兼顾干燥效率和营养保留的“实用操作窗口”：60°C干燥10小时。在此优化条件下，获得的藻粉营养成分组合为：蛋白质29.53%、碳水化合物40.24%、脂质18.54%、灰分5.78%。该条件在有效去除水分（目标湿度低于10%）的同时，最大程度地保留了蛋白质和碳水化合物这两种对于水产饲料至关重要的宏量营养素，并控制了脂质氧化和灰分积累。
3.2. 从生物质回收到干燥微藻粉的拟议流程
研究提出了一个集成的“废水到产品”工作流程。该流程始于ATS-MHRAP系统对虾类养殖废水的处理和微藻生物膜的被动式收获。收获的生物质浆液直接进入优化的热风干燥步骤（60°C, 10小时），随后进行机械研磨和筛分，最终得到均匀的微藻粉末。这一流程强调了上游收获方式（生物膜附着）与下游加工条件（温和干燥）的协同作用，旨在以最低的能耗和化学输入，获得营养稳定的产品。
3.3. 小规模加工的初步成本估算
研究对干燥和研磨步骤进行了初步的成本估算。结果表明，单位加工成本（仅包含干燥和研磨的电费、人工和简化折旧）随着生产规模的扩大而显著降低。在实验室规模的1克批次下，成本极高（约1,256 USD kg?1），但当规模扩大到1千克干重时，成本迅速下降并稳定在约10 USD kg?1左右。在定义的边界条件下，干燥和研磨的估算单位加工成本约为0.01–0.02 USD g?1。研究者指出，这低于市售小球藻粉的部分价格区间，但强调这是一个初步的下游加工成本估算，未包含上游培养、废水处理基础设施、收获设备等资本和运营成本。
研究结论与意义：
本研究成功定义了一个用于处理废水来源Chlorella vulgaris生物质的热风干燥实用操作窗口（60°C, 10小时），该条件能在保证加工可行性的同时，较好地保持其营养成分。研究证实，过高的温度和过长的干燥时间会导致营养物质的显著损失。通过响应面方法建立的多响应优化模型，将干燥参数与营养成分及初步的加工成本联系起来，为规模化决策提供了支持。
这项工作的重要意义在于它将废水处理、生物质回收和下游热加工作为一个连贯的工作流程进行评估和优化。研究中采用的ATS-MHRAP系统通过生物膜形式实现被动式收获，降低了对化学絮凝剂和高能耗预脱水的依赖，为低成本、环境友好的微藻生物质生产提供了可能。优化后的干燥工艺则确保了最终产品的营养品质。初步的成本分析虽然边界有限，但显示了该路径在特定规模下的经济潜力。这项研究为将水产养殖废水中的营养物质转化为具有市场价值的微藻产品提供了一条技术可行、兼顾营养与成本的集成化路径，有力地支持了可持续水产养殖和循环生物经济的发展理念。未来的研究需要扩展到更全面的技术经济和生命周期评估，并验证产品在饲料应用中的安全性与有效性。
